Jak dobrać odpowiedni izolator do linii wysokiego napięcia?

Poznaj kluczowe typy izolatorów i opcje materiałów dla zastosowań wysokonapięciowych

Izolatory wiszące, słupowe, prętowe długie i napinacze: funkcje i role konstrukcyjne w systemach WN

Istnieją cztery główne typy izolatorów odgrywające kluczowe role w systemach przesyłowych wysokiego napięcia. Izolatory wiszące działają, podtrzymując ciężar przewodników za pomocą łańcuchów składających się z pojedynczych tarcz. Taka konstrukcja pozwala inżynierom budować wieże w różnych kształtach i ułatwia prowadzenie linii przez trudny teren. Izolatory stacyjne stosowane są inaczej – zapewniają sztywną podporę dla grubybusów znalezionych w stacjach elektroenergetycznych. Są budowane solidnie, aby wytrzymać napięcia dochodzące do setek kilowoltów. Izolatory prętowe wyróżniają się tym, że wykonane są z jednego ciągłego elementu z porcelany lub materiału kompozytowego. Są one szczególnie odporne na nagromadzanie brudu, dlatego tak często można je spotkać w aplikacjach EHV, gdzie dłuższe powierzchnie pomagają zapobiegać niebezpiecznym przebiciom między elementami. Następnie mamy izolatory naprężeniowe umieszczone na końcach linii przesyłowych, które utrzymują wszystko razem mimo różnych sił działających na nie, takich jak zmiany wysokości, duże ilości śniegu czy silne wiatry wiejące przez krajobraz. Każdy typ został specjalnie zaprojektowany, aby radzić sobie z różnymi wyzwaniami, w tym parciem wiatru, nagromadzaniem się lodu, a nawet trzęsieniami ziemi. Ciekawostką jest, że badania wykazują, iż izolatory prętowe mogą służyć około 30 procent dłużej pod wpływem powtarzalnych obciążeń niż starsze konstrukcje z łańcuchów tarcz, co czyni je rozumnym wyborem dla wielu nowoczesnych instalacji.

Izolatory porcelanowe, szklane i kompozytowe: wydajność, trwałość i odpowiednie zastosowanie

Materiał, z którego są wykonane, ma ogromne znaczenie, jeśli chodzi o wydajność i trwałość urządzeń w warunkach wysokiego napięcia. Porcelana jest stosowana od zawsze, ponieważ dobrze radzi sobie z prądem elektrycznym, ma wytrzymałość dielektryczną powyżej 150 kV na stopę i zachowuje stabilność nawet przy zmieniających się temperaturach. Wada? Łatwo się pęka przy uderzeniu, co stanowi poważny problem w miejscach, gdzie konserwacja nie zawsze jest łatwa ani bezpieczna. Izolatory ze szkła hartowanego samooczyszczają się i pokazują pęknięcia przed całkowitym uszkodzeniem, co jest korzystne pod względem bezpieczeństwa. Jednak te szklane izolatory nie wytrzymują zbyt długo w pobliżu wybrzeży, gdzie w powietrzu znajduje się dużo soli, powodując stopniowe zużywanie się ich powierzchni. Kompozytowe izolatory polimerowe stały się ostatnio popularne, szczególnie w zanieczyszczonych lub wilgotnych środowiskach. Są one wykonane z włókna szklanego wewnątrz i pokryte gumą silikonową, a ich właściwości odporności na wodę pomagają im pozbywać się brudu i zanieczyszczeń o około 40% szybciej niż tradycyjne materiały. Niektóre raporty z terenu sugerują, że te kompozyty mogą służyć około 15 lat dłużej w suchym klimacie w porównaniu z tradycyjnymi porcelanowymi rozwiązaniami. Niemniej jednak po wielu latach działania pod wpływem promieniowania UV ze słońca, konieczne jest opracowanie specjalnych formuł, aby nie ulegały zbyt szybko degradacji. Patrząc na to, co obecnie dzieje się w systemach ultra wysokiego napięcia, zaczynamy obserwować nowe hybrydowe podejścia, które łączą najlepsze cechy rdzeni ze szkła lub porcelany z odpornością na warunki atmosferyczne kompozytowych powłok.

Oceń wymagania dotyczące wydajności elektrycznej i mechanicznej

Wytrzymałość dielektryczna i napięcie znamionowe: dopasowanie izolatorów do systemów 110 kV–UHV i HVDC

Wybór odpowiedniego materiału izolacyjnego wymaga starannego przeanalizowania zarówno napięcia systemu, jak i rzeczywistych naprężeń elektrycznych występujących w nim. W systemach prądu przemiennego (AC) o napięciu od 110 kV do 800 kV standardowe izolatory porcelanowe zazwyczaj wytrzymują około 10–12 kV na centymetr. Jednak w przypadku zastosowań w systemach o bardzo wysokim napięciu (UHV) i prądzie stałym wysokiego napięcia (HVDC) wymagania znacznie rosną. Systemy te wymagają materiałów odpornych na co najmniej 15 kV na cm, ponieważ pola elektryczne stają się znacznie silniejsze. Praca z HVDC wiąże się również z dodatkowymi trudnościami. Rozkład pól elektrycznych zależy od polaryzacji, a te systemy mają tendencję do szybszego gromadzenia zanieczyszczeń powierzchniowych niż inne. Problem zanieczyszczeń przyspiesza procesy starzenia i prowadzi do wzrostu prądów upływowych w czasie. Większość inżynierów zakłada zapas mocy rzędu 20–30 procent powyżej normalnego obciążenia systemu, aby zapewnić bezpieczeństwo przed okresowymi skokami napięcia. Weźmy na przykład izolatory UHV – są często poddawane rygorystycznym testom przy napięciu 1800 kV przez pełną minutę, aby sprawdzić, czy wytrzymają ekstremalne warunki. Wiele firm korzysta obecnie z kompozytowych izolatorów polimerowych w zastosowaniach HVDC. Rozkładają one pole elektryczne bardziej równomiernie na powierzchni i lepiej niż tradycyjne rozwiązania odpierają przebicia powietrzne spowodowane brudem i zanieczyszczeniami.

Nośność mechaniczna: Wytrzymałość na wiatr, lód, naprężenie i trudności terenowe

Wydajność mechaniczna jest kluczowa dla niezawodnej pracy w trudnych warunkach. Izolatory wysokiego napięcia muszą wytrzymać:

• Obciążenia wiatrem i lodem : Wytrzymałość na zginanie przekraczająca 70 kN dla linii 345 kV w regionach narażonych na nagromadzanie się lodu
• Napięcie przewodnika : Wytrzymałość na rozciąganie większa niż 120 kN, aby zapobiec kaskadowym uszkodzeniom podczas awarii linii lub ekstremalnych warunków atmosferycznych
• Obciążenia sejsmiczne i terenowe : Zastosowanie tłumików drgań w strefach narażonych na trzęsienia ziemi oraz projektów przeciwdziałających falowaniu w terenie górskim lub otwartym
  Izolatory kompozytowe oferują znacznie wyższą wytrzymałość na rozciąganie — powyżej 500 MPa w porównaniu do około 40 MPa dla porcelany — a obudowy z gumy silikonowej poprawiają odprowadzanie lodu. W obszarach nadmorskich izolatory wymagają drogi upływu wynoszącej 25–30 mm/kV oraz powierzchni hydrofobowych, aby zapobiec śledzeniu spowodowanemu solą. Zgodność ze standardami IEC 61109 i ANSI C29.11 gwarantuje odpowiednią wydajność mechaniczną i elektryczną w rzeczywistych warunkach, umożliwiając dziesięciolecia niezawodnej pracy.

Ocena odporności środowiskowej i długoterminowej niezawodności w trudnych warunkach

Droga upływu i wydajność w warunkach zanieczyszczenia w klimatach nadmorskich, przemysłowych i suchych

Wykonanie izolatorów i ich trwałość w dużej mierze zależą od otaczającego środowiska. Gdy chodzi o drogę upływu, czyli rzeczywistą najkrótszą drogę wzdłuż powierzchni izolatora pomiędzy dwoma elektrodami, w miejscach o wysokim stopniu zanieczyszczenia konieczna jest jej korekta, aby uniknąć niebezpiecznych przebić. Obszary nadmorskie stwarzają szczególne problemy, ponieważ sól gromadzi się z czasem, tworząc przewodzące warstwy na powierzchniach. Dlatego wielu producentów odchodzi obecnie w kierunku hydrofobowych kompozytów z gumy krzemowej, które bardzo skutecznie zapobiegają przedostawaniu się wilgoci i brudu do krytycznych komponentów, ograniczając tym samym irytujące prądy upływu, które chcemy zminimalizować. Obszary przemysłowe stwarzają inny zestaw wyzwań, ponieważ izolatory są bombardowane zanieczyszczeniami chemicznymi, takimi jak związki siarki czy pył cementowy. Te substancje mają tendencję do tworzenia ścieżek przewodzących w wilgotnych warunkach, jednak zastosowanie żeberkowanych kształtów połączone z regularnymi czyszczeniami znacznie przyczynia się do rozwiązania tego problemu. Pustynia stwarza własne, unikalne trudności – piasek nieustannie niszczy materiały, a intensywne promieniowanie UV dodatkowo je degradowuje. Badania wykazują, że szkło hartowane radzi sobie w tych surowych warunkach o około 30 procent lepiej niż tradycyjne porcelanowe rozwiązania. Aby zapewnić prawidłowe działanie w zanieczyszczonych warunkach, inżynierowie dokładnie monitorują prądy upływu, dążąc do utrzymywania ich poniżej progu 50 mA, by zapobiec rozbieganiu termicznemu w okresach wysokiej wilgotności. Protokoły testowe obejmują symulacje przyspieszonego starzenia, które naśladują dziesięciolecia ekstremalnych wahania temperatur, od minus 40 stopni Celsjusza do plus 80 stopni Celsjusza, dając producentom pewność co do trwałości materiałów w czasie. I tak, zalecane drogi upływu rzeczywiście zmieniają się w zależności od tego, gdzie izolatory zostaną zainstalowane.

Wybór izolatorów o profilu zoptymalizowanym pod kątem warunków klimatycznych zapewnia niezawodną pracę przez ponad 25 lat dzięki zrównoważeniu oporności powierzchniowej, hydrofobowości i zdolności do samoczyszczenia.

Zastosuj ramy wyboru oparte na napięciu i zastosowaniu

Wybór izolatorów dla 33 kV-345 kV AC w porównaniu do UHV/HVDC: konfiguracja łańcucha, liczba jednostek na kV oraz standardy niezawodności

Wybór odpowiednich izolatorów w dużej mierze zależy od poziomu napięcia oraz od warunków ich rzeczywistego zastosowania w terenie. W przypadku systemów prądu przemiennego (AC) o napięciach od 33 kV do 345 kV, konieczne są elastyczne konfiguracje łańcuchowe oraz dobra odporność na nagromadzanie się zanieczyszczeń. Zazwyczaj około 8–10 jednostek porcelanowych lub szklanych na 100 kV wystarcza w obszarach, gdzie warunki środowiskowe nie są zbyt surowe. Sytuacja zmienia się jednak przy systemach o bardzo wysokim napięciu (UHV) i systemach prądu stałego o wysokim napięciu (HVDC). Te instalacje wymagają bardziej wytrzymałych rozwiązań, zwykle izolatorów kompozytowych polimerowych, które zapewniają dłuższe drogi upływu powyżej 25 mm na kV oraz lepszą ochronę przed nagromadzaniem się brudu. Obserwuje się również, że te systemy potrzebują około 1,5 razy więcej jednostek izolatorów niż porównywalne układy AC, aby poprawnie radzić sobie z intensywnymi polami elektrycznymi. Standardy niezawodności są tu również bardzo rygorystyczne – większość projektów UHV dąży do poziomu awarii rocznych poniżej 0,05%. Nie należy także zapominać o wytrzymałości mechanicznej, szczególnie ważnej w miejscach narażonych na obfite oblodzenie lub silne wiatry, gdzie izolatory mogą być narażone na naprężenia statyczne powyżej 50 kN. Fachowcy z branży zazwyczaj kierują się wytycznymi IEC 60383 dotyczącymi odległości upływu oraz specyfikacjami ANSI C29 dotyczącymi obciążeń mechanicznych, aby wszystko działało bezawaryjnie przez długi czas i zapewnić stabilność całej sieci.

Najczęściej zadawane pytania